PCB tasarımında ESD akımının PCB'ye akması nasıl önlenir?

Son zamanlarda elektronik ürünler için ESD testleri yapıyoruz. Farklı ürünlerin test sonuçlarından, bu ESD'nin çok önemli bir test olduğunu gördük: Devre kartı tasarımı iyi değilse, statik elektriğin devreye girmesi üründe çökmelere, hatta bileşen hasarına neden olabilir. Daha önce sadece ESD'nin bileşenlere zarar verdiğini fark etmiştim, ancak elektronik ürünlere de bu kadar dikkat etmemiz gerektiğini düşünmemiştim.

ESD, elektrostatik deşarj olarak da bilinir. Öğrenilen bilgilere göre, statik elektrik, genellikle elektrikli cihazlar arasında temas, sürtünme, indüksiyon ve diğer yöntemlerle oluşan doğal bir olgudur. Özellikleri uzun süreli birikim, yüksek voltaj (binlerce hatta on binlerce volt statik elektrik üretebilir), az miktarda elektrik, düşük akım ve kısa etki süresidir. Elektronik ürünlerde, ESD tasarımı iyi yapılmazsa, elektronik ve elektrikli ürünler dengesiz olma veya hatta hasar görme eğilimindedir. ESD deşarj testi için genellikle iki yöntem vardır: temas deşarjı ve hava deşarjı. Temas deşarjı, test edilen cihaza doğrudan deşarjdır; dolaylı deşarj olarak da bilinen hava deşarjı ise, bitişik akım döngüsüne güçlü bir manyetik alan kuplajı nedeniyle oluşur. Bu iki testin test voltajı genellikle 2KV-8KV arasındadır ve farklı bölgelerin farklı gereksinimleri vardır. Bu nedenle, tasarım yapmadan önce ürünün hedeflediği PCB pazarını anlamak önemlidir. Yukarıdaki iki durum, insan vücudunun elektronik ürünlere temas etmesi ve insan vücudu elektriklenmesi veya diğer nedenlerle çalışamaması durumunda elektronik ürünler için temel testlerdir. 

Dünyanın farklı bölgelerindeki nem durumu farklıdır, ancak aynı bölgedeki hava nemi farklıysa, üretilen statik elektrik de farklı olacaktır. Aşağıdaki tablo, statik elektriğin azalan hava nemi ile arttığını gösteren verileri göstermektedir. Bu aynı zamanda, Kuzey Çin'de kışın saç temizlerken statik elektrikten kaynaklanan büyük kıvılcımların nedenini de dolaylı olarak açıklamaktadır. Statik elektriğin bu kadar büyük bir zararı olduğuna göre, onu nasıl korumalıyız? Elektrostatik koruma tasarlarken genellikle üç adım atarız: harici yükün devre kartına akıp hasara yol açmasını önlemek; harici manyetik alanın devre kartına zarar vermesini önlemek; elektrostatik alanın neden olduğu tehlikeyi önlemek.

Gerçek PCB devre tasarımında elektrostatik koruma için aşağıdaki yöntemlerden bir veya daha fazlasını kullanacağız: 

 1、Elektrostatik koruma için çığ diyotu :  Bu da tasarımda kullanılan yaygın bir yöntemdir. Tipik yöntem, çığ diyotunu ana sinyal hatlarında toprağa paralel bağlamaktır. Bu yöntem, çığ diyotunun hızlı tepkisini ve kararlı sıkıştırma yeteneğini kullanarak, devre kartını korumak için biriken yüksek voltajı kısa sürede tüketebilir. 

 2、Yüksek voltajlı kapasitör kullanılarak devre koruması :  Bu yaklaşımda, genellikle en az 1,5 KV dayanım gerilimine sahip seramik kapasitörler G/Ç konnektörlerine veya anahtar sinyal konumlarına yerleştirilir ve kablo endüktansını azaltmak için kablolar mümkün olduğunca kısa tutulur. Düşük dayanım gerilimli kapasitörler kullanılırsa, kapasitörlere zarar verir ve koruma etkisini kaybeder. 

 3、Devre koruması için ferrit boncuklar kullanın :  Ferrit boncuklar, ESD akımını zayıflatabilir ve radyasyonu bastırabilir. İki sorunla karşı karşıya kaldığınızda ferrit boncuklar iyi bir seçimdir. 

 4、Kıvılcım aralığı yöntemi :  Bu yöntem tek parçalı malzemelerde görülebilir. Özel yöntem, bakır levhadan oluşan mikroşerit katmanının, uçları birbirine hizalanmış üçgen bakır levhalardan oluşmasıdır. Üçgen bakır levhanın bir ucu sinyal hattına, diğer ucu toprağa bağlanır. Statik elektrik olduğunda, uç deşarjı meydana gelir ve elektrik enerjisi tüketir. 

 5、Devreyi korumak için LC filtresi kullanın :  LC filtresi, devreye giren yüksek frekanslı statik elektriği etkili bir şekilde azaltabilir. Endüktans reaktansı, yüksek frekanslı ESD'nin devreye girmesini engelleyebilirken, kapasitör ESD'nin yüksek frekanslı enerjisini toprağa yönlendirir. Aynı zamanda bu tür filtreler, sinyal kenarlarını yumuşatarak radyo frekansı etkisini azaltabilir ve sinyal bütünlüğü açısından performansı daha da iyileştirebilir. 

 6、Çok katmanlı PCB kartı ESD koruması :  Çok katmanlı bir kart seçmek, fonlar izin verdiğinde ESD'yi önlemenin etkili bir yoludur. Çok katmanlı kartlarda, kablolamanın yakınında tam toprak düzlemleri olduğundan, ESD düşük empedanslı düzleme daha hızlı bağlanabilir ve böylece önemli sinyalleri korur. 

 7、PCB hat kartı etrafındaki koruyucu bant için tutma yöntemi :  Bu yöntem genellikle montaj yapılmadan kablo çekmek ve devre kartının etrafına lehim katmanı yerleştirmek için kullanılır. Koşullar uygunsa kabloları gövdeye bağlayın. Aynı zamanda, daha fazla soruna neden olacak halka anten oluşturmamak için kapalı devre oluşturmamaya dikkat edin. 

 8、CMOS cihazları veya kelepçe diyotlu TTL cihazları kullanarak devre koruması :  Bu yöntem, devre kartını korumak için izolasyon prensibini kullanır. Bu cihazlar kelepçe diyot korumasına sahip olduğundan, gerçek devre tasarımında tasarım karmaşıklığını azaltır 

 9、Sık sık ayırma kapasitörleri kullanın :  Bu ayırma kapasitörleri düşük ESL ve ESR değerlerine sahip olmalıdır. Düşük frekanslı ESD ayırma kapasitörleri için döngü alanını azaltın.